(57)【要約】【課題】  均一な特性を有する薄膜半導体装置の作成が可能となる結晶性半導体薄膜の製造方法およびこれにより製造された結晶性薄膜を用いた半導体装置を提供すること。【解決手段】  基板、下地膜および半導体層を備える半導体薄膜を形成するステップと、半導体薄膜上に、半導体薄膜表面と反射率が異なる反射調節膜パターンを形成するステップと、反射調節膜パターンを含む半導体薄膜表面の上に、少なくとも１つの光を照射するステップと、を含む結晶性半導体薄膜の製造方法であって、光を照射した領域端部と反射調節膜パターンとの距離Ｄと、反射調節膜パターンの長さＷとが、Ｄ＞Ｗの関係を有することを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法。【選択図】        図１
2005353823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板、下地膜および半導体層を備える半導体薄膜を形成するステップと、
該半導体薄膜上に、該半導体薄膜表面と反射率が異なる反射調節膜パターンを形成するステップと、
前記反射調節膜パターンを含む前記半導体薄膜表面の上に、少なくとも１つの光を照射するステップと、を含む結晶性半導体薄膜の製造方法であって、
前記光を照射した領域端部と前記反射調節膜パターンとの距離Ｄと、前記反射調節膜パターンの長さＷとが、Ｄ＞Ｗの関係を有することを特徴とする、結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項２】
前記反射調節膜は、矩形状または直線状であることを特徴とする、請求項１に記載の結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項３】
前記光を照射ステップにより、前記反射調節膜パターン端部周辺から、前記反射調節膜の中央部に向かって結晶が成長することを特徴とする、請求項１または２に記載の結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項４】
前記中央部は、前記反射調節膜パターンの両端部から成長した結晶の終点であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の結晶性半導体薄膜の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の結晶性半導体薄膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜のうち、前記反射調節膜パターンの直下の結晶化領域を能動領域として用いた半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置などに用いる結晶性半導体薄膜の製造方法、および、結晶性半導体薄膜を活性層とする半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶やエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）を応用した表示装置に用いられている薄膜トランジスタは、非晶質もしくは多結晶のシリコンを活性層として用いられる。このうち、多結晶シリコンの薄膜トランジスタは、電子の移動度が高いため、非晶質シリコンの薄膜トランジスタに比較し、多くの利点を有している。
【０００３】
たとえば、画素部分にスイッチング素子を形成するだけでなく、画素周辺部分に駆動回路、一部の周辺回路を一枚の基板上に形成することができる。このため、別途ドライバＩＣや駆動回路基板を表示装置に実装する必要がなくなるので、表示装置を低価格で提供することが可能となる。
【０００４】
また、その他の利点として、トランジスタの寸法を微細化できるので、画素部分に形成するスイッチング素子が小さくなり、高開口率化が図れる。このため、高輝度、高精細な表示装置を提供することが可能となる。
【０００５】
多結晶シリコン薄膜の製造方法としては、ガラス基板にＣＶＤ法などで非晶質シリコン薄膜を形成した後、別途、非晶質シリコンを多結晶化する工程が必要である。通常、結晶化のアニ−ル工程は、６００℃以上の高温アニ−ル法によっておこなう場合、高温に耐える高価な基板を使用する必要があり、表示装置の低価格化の阻害要因となっていた。近年は短パルス発振のエキシマレーザを用いて６００℃以下の低温で非晶質シリコンの結晶化を行う技術が一般化され、低価格のガラス基板に多結晶シリコントランジスタを形成した表示装置を低価格で提供できるようになっている。
【０００６】
レーザによる結晶化技術は、アモルファスシリコン薄膜を形成したガラス基板を４００℃程度に加熱し、前記ガラス基板を走査しながら、長さ２００〜４００ｍｍ、幅０．２〜１．０ｍｍ程度の線状レーザビームをガラス基板上に連続的に照射する方法が一般的である。この方法によって、粒径０．２〜０．５μｍ程度の結晶粒が形成される。このときレーザを照射した部分の非晶質シリコンは、厚さ方向全域にわたって溶融するのではなく、一部の非晶質領域を残して溶融することによって、レーザ照射領域全面にわたって、いたるところに結晶核が発生し、シリコン薄膜最表層に向かって結晶が成長し、ランダムな方位の結晶粒が形成される。しかしながら、上記の方法では、アモルファスシリコン薄膜のトランジスタに比べると、優れた特性のトランジスタが得られるものの、薄膜トランジスタのチャネル領域に対して結晶粒径は十分に大きいとは言えず、チャネル長方向に対して、多数の粒界が存在するため、移動度は単結晶シリコンに比べると小さく、また、トランジスタ特性のバラツキとして現れやすいという問題点があった。
【０００７】
そこで、さらに高性能な表示装置を得るためには、多結晶シリコンの結晶粒径を大きくすること、結晶の方位を制御することが必要であり、単結晶シリコンに近い性能を得ることを目的に、近年、数多くの研究開発がなされている。
【０００８】
たとえば、レーザ照射による結晶化に際しては、反射率を低減してエネルギ効率を向上させるか、または、レーザ照射に伴う表面における凹凸の発生を抑制するために、表面にＳｉＯ２キャップを製膜した状態でレーザ照射を行うことがしばしば行われている。上記目的以外にも、上記ＳｉＯ２キャップが溶融シリコン薄膜の保温膜として機能し、全体的に結晶性の向上が見られるものの、均一化の向上に関しては、依然問題点として残ってしまう。
【０００９】
そこで、下記特許文献１には、上記反射防止機能を有するＳｉＯ２キャップをパターン化して任意の位置に形成した後、レーザ照射を行うことによって、結晶粒径を再現性良く大きくする技術が開示されている。この技術について、図１０を用いて説明する。図１０は、従来の半導体薄膜の製造方法を示す概略断面図である。図１０に示すように、ＳｉＯ２キャップパターン７４を介して、上記ＳｉＯ２キャップパターン７４に覆われているアモルファスシリコン膜７３と前記アモルファスシリコン膜７３が露出する部分とを同時にレーザ７５を照射することで、上記ＳｉＯ２キャップパターン７４の両端部から中央部に向かって膜厚に対して垂直方向（以下、横方向とする）に結晶化することによって、結晶粒径の大きな結晶化領域７６を任意の位置に、均一に形成し、上記結晶化領域７６を薄膜トランジスタの能動層として用いるというものである。
【００１０】
上述のような従来技術において、キャップパターンの端部より中央部へと結晶化させ、キャップパターン下の全域において横方向結晶を得るためには、レーザに対して反射防止となるキャップ膜厚を設定することに加え、キャップパターン幅、レーザ照射エネルギ、アモルファスシリコン膜厚等のパラメータの適切な設定がきわめて重要となってくる。たとえば、下記特許文献１に記載の内容によれば、キャップパターン幅は５μｍ以下、望ましくは０．５μｍ〜２μｍとしており、この範囲内であればキャップパターン端部からの横方向結晶成長はキャップパターン中央部まで進行し、キャップパターン中央部に対して対称な結晶構造が得られる。上記パターン幅より大きい場合は、キャップ端部より横方向結晶成長が生じるものの、中央部付近では基板横方向の冷却による結晶化よりも基板厚さ方向への冷却が支配的となり、微細結晶からなる多結晶層が形成されるため、キャップパターン端部からの横方向結晶成長が中央部まで進行しなくなる。
【００１１】
また、上記キャップパターン幅の範囲内であっても、レーザ照射エネルギを適切に設定することが重要であり、発明者の経験に基づけば、レーザ照射によりキャップパターン下のアモルファスシリコン膜は厚さ方向の全層に亘って溶融するが、アモルファスシリコン層が露出している部分は部分的に溶融した状態の場合と、全層に亘って溶融した状態である場合とがレーザ照射エネルギの大きさによって存在する。キャップパターン中央部への横方向結晶成長を確実に進行させるためには、キャップパターン幅を大きくする場合には特に、前記アモルファスシリコン膜が露出している部分も全層に亘って溶融させるようなレーザ照射条件とする必要がある。
【００１２】
しかしながら、上記のような結晶化条件においては、上述の通り、アモルファスシリコン膜が露出した部分においても完全に溶融するため、キャップパターン端部とアモルファスシリコン露出部との間の温度分布形成に加え、レーザ照射領域端部とレーザ非照射領域との境界部分にも温度分布形成による横方向結晶成長が生じる。この場合、キャップパターン下のアモルファスシリコン膜とレーザ照射領域内のアモルファスシリコン膜露出部との温度よりも、レーザ照射領域内のアモルファスシリコン膜露出部とレーザ非照射領域のアモルファスシリコン膜との境界部分の温度形成の方が、低温度のため、横方向結晶成長はレーザ照射領域端部とレーザ非照射領域との境界部分において先に進行する。このとき、レーザ照射領域内のアモルファスシリコン膜露出部の幅によっては、レーザ照射領域境界部より先行的に進行した横方向結晶成長が、キャップパターン端部における結晶成長を連続的に引継がれる。キャップパターンの両側のレーザ照射領域内のアモルファスシリコン膜露出部の幅を異なるように設定すれば（すなわち、キャップパターンの中心軸とレーザ照射領域の中心軸をずらし、左右非対称にレーザ照射すれば）、キャップパターン中央部に対して非対称な結晶構造となる場合がある。
【００１３】
上記現象について、アモルファスシリコン膜断面の横方向温度分布に基づいて例示的にさらに詳細に説明する。図５は、アモルファスシリコン膜の横方向温度分布をキャップパターン中心からの距離を横軸として示した図であり、図における左端、横方向位置が０μｍの位置がキャップパターン中心である。図５に示すように、ガラス基板６１、ＳｉＯ２下地膜６２上のアモルファスシリコン膜６３に反射防止機能を有するキャップパターン６４を介して、キャップパターン下のアモルファスシリコン膜およびアモルファスシリコン膜の露出している部分にレーザ照射を行って結晶化を行う。図５は、キャップパターン６４の幅が４μｍであり、レーザ照射領域はキャップパターン６４と比較して十分に広く、レーザ照射領域の端部がキャップパターン６４の端部と十分距離がある場合の温度分布である。レーザ照射によりアモルファスシリコン膜６３は全層に亘って溶融し結晶化が生じるが、キャップパターン６４端部から十分離れたアモルファスシリコン膜６３が露出した部分では、基板方向へすなわち図中下方へ主に熱が逃げるため、横方向の温度勾配がほとんどなく、結晶は主に下から上へと成長して微細結晶となり、微細結晶からなる多結晶層６５が形成される。一方、キャップパターン６４端部周辺、ここではキャップパターン６４端部から約１μｍ離れた部分を境に、キャップパターン６４の反射防止効果によりアモルファスシリコン膜６３に横方向の温度勾配が形成され、基板横方向に対する熱の移動が生じるため、この部分を起点にキャップパターン６４中央部に向かって横方向結晶が成長する。前記横方向結晶領域６６はキャップパターン６４中央部まで進行し、キャップパターン６４の他方の端部周辺より同様に進行した横方向結晶とぶつかり、結晶化は完了する。結晶の長さは約３μｍとなる。上述した図５に示すような場合は、キャップパターン６４の両端部とも、レーザ照射領域の端部と十分離れているため、図６に示すように横方向結晶の起点はキャップパターン６４中心に対して対称な位置となり、横方向結晶化開始の時間および横方向結晶化に要する時間、すなわち冷却時間も全く等しいため、両端から進行した結晶はキャップパターン６４中央部でぶつかり、結果、図６のような全く同じ粒径を有する結晶がキャップパターン６４の下に幅方向に対称に形成されることになる。ここで、図６は、図５においてキャップパターン下の横方向結晶成長した結晶を示す概略図である。
【００１４】
図７は、図５においてキャップパターン幅を４μｍ、レーザ照射領域をキャップパターンの一方の端部より３μｍ離れた場所までとしたものである。なお、キャップパターンの他方の端部側の照射領域の幅は、図５および６と同様に十分に広くする。この場合は、上述の例と同様に、レーザ照射領域全域に亘ってアモルファスシリコン膜６３は溶融するが、前記レーザ照射領域端部を境にレーザ照射されたアモルファスシリコン膜６３が露出した部分とレーザ照射されていないアモルファスシリコン膜６３とで温度勾配が形成され、前記レーザ照射領域端部周辺を起点として、キャップパターン６４中央部に向かって横方向結晶が成長する。さらに上記横方向結晶成長は、キャップパターン６４の反射防止効果によって生じるキャップパターン端部周辺の温度勾配による横方向結晶成長に引き継がれ、前記レーザ照射領域端部からの横方向結晶６６の成長がキャップパターン中央部まで連続的に進行することになる。
【００１５】
一方、キャップパターン６４の他方の端部は、レーザ照射領域の他方の端部と十分距離があるため、先の図５の例と同様に、レーザ照射領域の他方の端部で生じる横方向結晶成長は、キャップパターン６４の他方の端部で生じる横方向結晶成長に引き継がれることはなく、キャップパターン６４による温度勾配形成のみによって横方向結晶成長が生じる。また、当該他方側はレーザ照射領域幅を十分に広くしてあるので、レーザ照射領域の狭い一方側（約３μｍの照射領域）と比較して、冷えにくく、結晶の成長時刻が一方側と比較して遅くなる。そのため、他方側から結晶成長するより先に、一方側から結晶成長し、一方側からの横方向結晶６６は、キャップパターン６４の中心を通過して他方側へ向かって成長し、キャップパターン６４の他方の端部周辺より成長した横方向結晶と、キャップパターン６４中心からずれた他方側の場所でぶつかる。すなわち、図８に示すように、キャップパターンの両側より成長した結晶は中心でぶつからず、異なる結晶長の結晶がキャップパターン６４の下に幅方向に非対称に形成されることになる。ここで、図８は図７においてキャップパターン下の横方向結晶成長の概略図である。
【００１６】
このようなキャップパターン下の中心において結晶化が対称となっていない半導体薄膜を用いてトランジスタを作製すると、問題となる場合がある。たとえば、図９（ａ）に示すように、キャップパターン中央部を境に形成された横方向成長した結晶６６を用いて、キャップパターンの幅方向に沿ってチャネルを形成し、中央部の境界を避けて２つのトランジスタ６７を作製する場合は、いずれのトランジスタもチャネル方向に粒界を跨がないため、均一なトランジスタ特性を得ることができるが、図９（ｂ）に示すように、横方向結晶６６の境界がキャップパターン中央部よりずれた状態で、前記図９（ａ）と同様のトランジスタ６７を作成すると、一方のトランジスタのチャネルに粒界が含まれるため、トランジスタ特性が低下し、均一性も著しく悪化してしまう。
【特許文献１】特開２０００−２６０７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記従来の技術の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、均一な特性を有する薄膜半導体装置の作成が可能となる結晶性半導体薄膜の製造方法およびそれにより製造された結晶性半導体薄膜を用いた半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、基板、下地膜および半導体層を備える半導体薄膜を形成するステップと、半導体薄膜上に、半導体薄膜表面と反射率が異なる反射調節膜パターンを形成するステップと、反射調節膜パターンを含む半導体薄膜表面の上に、少なくとも１つの光を照射するステップと、を含む結晶性半導体薄膜の製造方法であって、光を照射した領域端部と反射調節膜パターンとの距離Ｄと、反射調節膜パターンの長さＷとが、Ｄ＞Ｗの関係を有することを特徴とする結晶性半導体薄膜の製造方法を提供する。
【００１９】
好ましくは、反射調節膜は、矩形状または直線状である。
【００２０】
好ましくは、光を照射ステップにより、反射調節膜パターン端部周辺から、反射調節膜の中央部に向かって結晶が成長する。
【００２１】
好ましくは、中央部は、反射調節膜パターンの両端部から成長した結晶の終点である。
【００２２】
本発明はまた、上記の結晶性半導体薄膜の製造方法によって製造された結晶性半導体薄膜のうち、反射調節膜パターンの直下の結晶化領域を能動領域として用いた半導体装置を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、非晶質半導体薄膜上に、レーザ光に対して透過性を有するとともに、表面にレーザ光を照射したときの反射率を低減する反射調節膜パターンを選択的に形成し、前記反射調節膜パターンを介して前記非晶質半導体薄膜にレーザ光を照射して、前記反射調節膜パターン端部周辺から、前記反射調節膜の中央部に向かって結晶化する工程において、レーザ光を照射した領域端部と反射調節膜パターンとの距離Ｄと、反射調節膜パターンの長さＷとの関係を、Ｄ＞Ｗとして半導体薄膜を製造することで、前記反射調節膜の中央部を対称に、前記反射調節膜幅方向に同じ粒径を有する結晶を形成することができ、前記反射調節膜パターン直下の結晶化領域を、薄膜半導体装置の能動領域として用いることで、均一な特性を有する薄膜半導体装置を作製することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の結晶性半導体薄膜の製造方法は、基板、下地膜および半導体層を備える半導体薄膜を形成するステップと、半導体薄膜上に、半導体薄膜表面と反射率が異なる反射調節膜パターンを形成するステップと、反射調節膜パターンを含む半導体薄膜表面の上に、少なくとも１つの光を照射するステップと、を含む結晶性半導体薄膜の製造方法であって、光を照射した領域端部と反射調節膜パターンとの距離Ｄと、反射調節膜パターンの長さＷとが、Ｄ＞Ｗの関係を有することを特徴とする。ここで、結晶性とは、非晶質の半導体材料が結晶化されていることをいう。また、ここで、矩形状または直線状の反射調節膜パターンにおいては、前記反射調節膜の短辺方向の幅をＷと規定し、少なくとも１つの反射調節膜に対して、レーザ光を照射する際の、照射領域端部と前記反射調節膜の長辺との距離をＤと規定するものである。
【００２５】
上記本発明の結晶性半導体薄膜の製造方法によれば、Ｄ＞Ｗの関係を有することにより、反射調節膜パターンの中央において両端から成長した結晶がぶつかりあうので、当該反射調節膜パターンの中央において対称な成長結晶を得ることができ、当該結晶化した半導体薄膜を用いて半導体装置を作製する場合に、当該半導体装置に均一な特性を付与することができるものである。以下、本発明について図１〜４を用いて詳細に説明する。
【００２６】
まず、図１を参照して、本発明の結晶性半導体薄膜の製造工程を説明する。図１は、本発明の半導体薄膜の概略断面図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）基板となるガラス材料からなる基板１１の上に、下地膜１２を形成させる。下地膜１２は不純物拡散防止層として、本発明においては無機絶縁膜、中でも二酸化シリコン膜を用いることができ、この形成は蒸着、スパッタ成膜、ＣＶＤなどの種々の公知の方法を用いて行うことが可能である。二酸化シリコン材料からなる下地膜１２は、基板１１からの不純物の拡散を防ぐため設けるものであり、二酸化シリコンの代わりに、他の材料を使用することも可能である。
【００２８】
次に、上記二酸化シリコン材料からなる下地膜１２の上には半導体層１３が設けられる。半導体層１３に用いる材料としては通常アモルファスシリコンであり、ＣＶＤにより形成するが、成膜方法としては、スパッタ、蒸着法などを用いることも可能である。アモルファスシリコン材料からなる半導体層１３の厚さは、求められるトランジスタの特性や、プロセス条件などにより様々であるが、おおむね数十ｎｍ以上数百ｎｍ以下、特に典型的には３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲の膜厚が採用されるが、本実施形態においては５０ｎｍとする。
【００２９】
本発明において、上述のように、基板１１上に下地膜１２が形成され、当該下地膜１２上に、半導体層１３が形成されて、半導体薄膜とされるものである。
【００３０】
続いて、図１（ｂ）に示されるように、上記アモルファスシリコン材料からなる半導体層１３の上に、厚さが、たとえば、５０ｎｍの二酸化シリコン材料からなる反射調節膜１４を形成する。この場合の二酸化シリコン材料からなる反射調節膜１４の厚さは、後のレーザアニール法を用いる半導体薄膜表面上へのレーザ照射工程におけるレーザ光の波長をλ、反射調節膜１４の屈折率をｎとした場合、ｄ≒λ／４ｎを満たす値に設定して、前記レーザ光に対する反射防止膜とするものである。このとき、反射率は、反射調節膜１４の膜厚に応じて周期的に変化し、前記反射調節膜１４の厚さが５０ｎｍの二酸化シリコン材料にて構成される場合、波長３０８ｎｍにおいては反射防止膜として作用し、その反射率は３０．５％となる。この反射率は、半導体層の反射率と比較すると、波長３０８ｎｍにおけるアモルファスシリコン層の反射率は５７．２％であることから、反射調節膜１４の反射防止膜としての作用により、反射率が大きく低減することになる。
【００３１】
さらに、上記二酸化シリコン材料からなる反射調節膜１４をパターニングすることによって、図１（ｃ）に示すような反射調節膜パターン幅がＷである反射調節膜パターン１５を形成し、この後、上記基板１１に対して、アモルファスシリコン材料からなる半導体層１３に吸収されやすい波長領域の紫外線レーザ光、たとえば、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光１６を用いてレーザアニール処理を施す。
【００３２】
ここで、上記レーザアニール処理に用いる装置について図２を参照して説明する。この装置は、少なくともレーザ発振器２１、結像レンズ２５、およびガラス基板２６を搭載して駆動を行うステージ２７を有し、必要に応じてホモジナイザ、エキスパンダなどの光学素子群２２、およびフィールドレンズ２４を備える。ステージ２７には図１（ｃ）に示す多層薄膜を積層した基板を設置する。
【００３３】
レーザ発振器２１は、パルス状のエネルギビームを放出し、シリコンを溶融することが可能であれば、特に限定されるものでないが、たとえば、エキシマレーザ、ＹＡＧレーザに代表される各種固体レーザなど、紫外域の波長を有する光源が望ましい。エキシマレーザを用いる場合、パルス幅は十ｎｓから数十ｎｓであり、ほぼ瞬時に膜が溶融するが、その後急速に冷却され、その過程で結晶化が生じるものとする。
【００３４】
レーザ発振器２１から出射されたビームは、図示しないエキスパンダにより適当なビームサイズに変換され、ホモジナイザにより、ビーム断面内の放射照度の一様化が図られたうえ、ミラー２３により反射され、フィールドレンズ２４を経て結像レンズ２５に入射する。ここでビームエキスパンダは望遠系もしくは縮小系を有する光学系であり、結像レンズ２５への入射領域の大きさを決めるものである。ホモジナイザはレンズアレーもしくはシリンドリカルレンズアレーにより構成され、ビームを分割し再合成する事で、マスク上の照射領域内での放射照度の一様化を図るものである。また、フィールドレンズ２４は、発振器より出射された主光線を結像レンズ２５に垂直に入射させる機能を有する。
【００３５】
前記ホモジナイザおよびフィールドレンズ２４を通過させた光を結像レンズ２５により基板２６の表面に結像させる。結像レンズ２５により、基板上に発振器より出射された主光線を結像させることで、そのレーザパワーにより膜が溶融し、かつパルス照射が終了すると、急速に冷却され結晶化が生じる。
【００３６】
すなわち、本発明においては、図１（ｃ）に示すように、波長３０８ｎｍのＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ光１６を二酸化シリコン材料からなる反射調節膜パターン１５側から照射することによって、アモルファスシリコン材料からなる半導体層１３を結晶化する。また、本発明においては、前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光１６を照射した半導体層における一方の端部と、二酸化シリコン材料からなる反射調節膜パターン１５との距離Ｄと、反射調節膜パターン１５の短辺の幅Ｗとを、Ｄ＞Ｗの関係とすることに特徴を有する。
【００３７】
上記Ｄ＞Ｗの関係にて結晶化を行った際の、半導体層における結晶成長方向に沿った温度分布について、図３を参照してさらに説明する。図３は、結晶化の際の半導体層における温度分布を示す図であり、グラフにおいて、縦軸は温度を示し、横軸は反射調節膜パターンの中心からの距離を示す。また、図３において、横方向位置０μｍは反射調節膜パターン４４の中心を表しており、横方向位置６μｍがＸｅ−Ｃｌエキシマレーザ光照射領域の一方の端部となる。また、図３中のグラフ下の断面図は半導体薄膜の概略断面を表し、基板４１上に下地膜４２が形成され、当該下地膜４２上に半導体層４３が形成され、当該半導体層４３上に反射調節膜パターン４４が形成されているものである。なお、図３において、複数の曲線があるが、これは時間を変化させてプロットしているためである。
【００３８】
本実施形態においては反射調節膜パターン４４の短辺の幅Ｗを４μｍ、前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光の一方の端部と反射調節膜パターン４４との距離Ｄを４μｍとし、結晶化を行うこととする。
【００３９】
レーザ照射により、図３中の半導体層４３は照射領域のほぼ全域において溶融し、次いで前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光照射領域端部を境にレーザ照射されたアモルファスシリコン材料からなる半導体層４３が露出した部分とレーザ照射されていない半導体層４３とで温度勾配が形成され、前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光照射領域端部周辺を起点として、二酸化シリコン材料からなる反射調節膜パターン４４中央部に向かって横方向結晶４５が成長する。本実施形態における前記横方向結晶４５の成長起点は、より詳しくは、二酸化シリコン材料からなる反射調節膜パターン４４の中心から約５．７μｍの位置、すなわち、前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光照射領域端部より約０．３μｍ内側の位置となる。前記横方向結晶４５は、反射調節膜パターン４４中心に向かって成長するが、反射調節膜パターン４４の中心から約３μｍ〜３．５μｍの領域、すなわち、反射調節膜パターン４４端部から約１μｍ〜１．５μｍの領域においては、図３に示されるとおり、横方向へ逃げる熱より下方向へ逃げる熱の方が支配的であるため、半導体層４３が基板方向から冷却され、微細結晶からなる多結晶層４６が形成されるため、前記横方向結晶４５の成長は反射調節膜パターン４４の中心から約３．５μｍの所で停止する。
【００４０】
一方で、厚さ５０ｎｍの反射調節膜パターン４４は、前記Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ光の波長３０８ｎｍに対して、５０ｎｍ≒３０８ｎｍ／４ｎ（ｎは反射率）の関係を満たすことになるので、二酸化シリコン材料からなる反射調節膜パターン４４は反射防止膜として作用し、反射調節膜パターン４４の下部においては入射エネルギが増し、より温度が上昇するため、反射調節膜パターン４４の端部周辺を境に、半導体層４３に温度勾配が形成される。したがって、レーザ光照射領域端部より成長した横方向結晶４５とは別に、前記反射調節膜パターン４４端部周辺を起点に前記反射調節膜パターン４４中央部に向かって横方向結晶４７が再度成長する。本実施形態における前記横方向結晶４７の成長起点は、より詳しくは、反射調節膜パターン４４中央部から約３μｍの位置、すなわち、前記反射調節膜パターン４４端部より約１μｍの位置となり、前記横方向結晶４７は、前記反射調節膜パターン４４中央部まで到達する。
【００４１】
このときの半導体層における結晶成長の状態を図４に示す。図４に示すように、前記反射調節膜パターン４４の他方の端部付近からも、前記横方向結晶４７と同様の結晶粒径および結晶成長速度にて結晶成長が進行し、前記横方向結晶４７と反射調節膜パターン４４の中央部でぶつかって結晶成長が終焉する、すなわち、終点となるため、反射調節膜パターン４４中心を対称軸として、同じ大きさの結晶粒を得ることができ、この領域を薄膜半導体装置の能動領域とすることで、均一な特性を有する薄膜半導体装置を作成することが可能となる。
【００４２】
上述のような反射調節膜パターン４４を中心として対称な結晶を得ることができる理由は、レーザ光の一方の端部と、反射調節膜パターンとの距離Ｄと、二酸化シリコン膜パターンの短辺の幅Ｗとを、Ｄ＞Ｗの関係とすることで実現しうるものであり、前記関係の成立しない条件、たとえば、二酸化シリコン膜パターン幅Ｗが４μｍに対し、Ｄを３μｍとした場合は、従来の技術の説明において述べたように、反射調節膜パターン中央部に対して非対称な結晶構造となり、薄膜半導体装置の特性の悪化、均一性の低下を招くことになる。
【００４３】
ここで、上記Ｄ＞Ｗの関係とする理由について図４を参照してさらに説明する。本発明者らが行った様々な実験条件において、たとえば、反射調節膜パターン４４の幅Ｗに対して、レーザ照射エネルギ、半導体層膜厚、二酸化シリコン膜材料からなる反射調節膜の膜厚等を変化させた中で、反射調節膜パターン４４端部周辺からの横方向結晶４７の成長の起点が、反射調節膜パターン４４の端部よりＷ／４以上外側になることはなく、また、レーザ照射領域端部からの横方向結晶４５の成長距離が、反射調節膜パターン４４端部周辺からの横方向結晶４７の成長距離、すなわち、Ｗ／２＋Ｗ／４より大きくなることがないことを明らかとしたため、Ｄ＞Ｗ／４＋Ｗ／２＋Ｗ／４＝Ｗとすることで、二酸化シリコン膜パターン中央部を対称とした結晶構造を得ることができるものであるとした。
【００４４】
なお、本発明を説明する実施形態においては、１つのエキシマレーザ光により結晶化を行う事例について詳細な説明をしているが、レーザ光は１つに限定される必要はなく、たとえば溶融・再結晶化を行うレーザとは別に、結晶粒径のさらなる増大を目的として、基板全体、又は、半導体薄膜の温度を上昇せしめ、半導体薄膜の溶融時間を長くするために、第２のレーザを付加的に用いた場合においても、同様に反射調節膜パターン幅Ｗと、レーザ光端部と反射調節膜パターン端部との距離Ｄとの関係をＤ＞Ｗとすることで、均一な粒径を有する結晶を得ることができ、前記第２のレーザを用いた場合にも本発明は有効である。
【００４５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の結晶性半導体薄膜の製造工程を示す概略断面図である。
【図２】レーザアニール処理に用いる装置の概略図である。
【図３】結晶化の際の半導体層における温度分布を示す図である。
【図４】半導体層における結晶成長の状態を示す概略図である。
【図５】従来の技術におけるアモルファスシリコン膜の横方向温度分布を示す図である。
【図６】図５においてキャップパターン下の横方向結晶成長した結晶を示す概略図である。
【図７】従来の技術におけるアモルファスシリコン膜の横方向温度分布を示す図である。
【図８】図７においてキャップパターン下の横方向結晶成長の概略図である。
【図９】キャップパターン下において成長した結晶を示す概略図である。
【図１０】従来の半導体薄膜の製造方法を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０，４０，６０  半導体薄膜、１１  基板、１２，６２  下地膜、１３  半導体層、１４  反射調節膜、１５  反射調節膜パターン、１６  エキシマレーザ光、２１  レーザ発振器、２２  光学素子群、２３  ミラー、２４  フィールドレンズ、２５  結像レンズ、２６  基板、２７  ステージ、４１  基板、４２  下地膜、４３  半導体層、４４  反射調節膜パターン、４５  横方向結晶、４６  多結晶層、４７  横方向結晶、６１  ガラス基板、６２  下地膜、６３，７３  アモルファスシリコン膜、６４，７４  キャップパターン、６５  多結晶層、６６  横方向結晶領域、６７  トランジスタ、７５  レーザ、７６  結晶化領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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